本發(fā)明涉及一種短脈沖激光金屬表面硬化方法，尤其是涉及一種利用短脈沖激光直接重熔金屬表面達(dá)到硬化效果的方法?？蓪⒃摲椒◤V泛應(yīng)用于金屬零件的表面處理，使零件的機械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高等特點。

背景技術(shù)：

激光硬化表面處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著大功率激光器的問世而發(fā)展起來的一項重大高新技術(shù)，國內(nèi)外對此已進行了大量研究。該技術(shù)主要用于強化零件表面，以提高金屬材料及零件的表面硬度，使零件的機械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高等特點。激光硬化可大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量，并成倍延長其使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟效益。激光器主要由能源、激活物媒質(zhì)和諧振器組成。目前激光表面強化常用的三種激光器為CO₂激光器、YAG激光器和準(zhǔn)分子激光器。CO₂激光器用于黑色金屬大面積零件的表面強化處理，而YAG激光器則多用于有色金屬或小面積零件的表面處理。準(zhǔn)分子激光器是繼CO₂、YAG激光器之后的第三代材料表面強化用激光器，所發(fā)射激光的波長很短(為YAG激光器的1/5和CO₂激光器的1/50)，大多數(shù)材料對其吸收率特別高，從而可有效吸收該激光能量。激光硬化過程激光束與材料的交互作用根據(jù)輻射密度與持續(xù)時間分為以下幾個階段：(1)激光照射到材料表面；(2)激光被材料吸收變?yōu)闊崮埽?3)表層材料受熱升溫；(4)材料表面發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變，熔化甚至蒸發(fā)；(5)材料在激光作用后冷卻。

激光熔凝硬化是以具有高功率密度(10⁵～10⁷W/cm²)的激光，在極短的時間內(nèi)與金屬交互作用，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當(dāng)高的溫度而熔化，隨后借助于冷態(tài)金屬基體的吸熱和傳導(dǎo)作用，使已熔化的極薄表層金屬快速凝固，產(chǎn)生新的表面層。該技術(shù)具有以下優(yōu)點：(1)表面熔化時一般可添加超硬耐磨金屬元素或化學(xué)元素，且熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合；(2)激光熔凝過程可排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結(jié)晶獲得的雜質(zhì)有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性；(3)熔層薄、熱作用區(qū)小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大，有時可不再進行后續(xù)磨光而直接使用；(4)可提高溶質(zhì)原子在基體中的固溶度極限，使晶粒及第二相質(zhì)點超細(xì)化，形成的亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金獲得用傳統(tǒng)方法所不能得到的優(yōu)良性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種短脈沖激光金屬表面硬化方法。該方法可廣泛應(yīng)用于金屬零件的表面處理，使零件的機械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高等特點。

本發(fā)明一種短脈沖激光金屬表面硬化方法，流程如圖1所示，主要包括如下步驟：

(1)對金屬材料表面依次進行化學(xué)清洗去油，砂輪打磨去氧化層，打磨后清洗；

(2)將步驟(1)清洗后的金屬材料置于納秒激光加工系統(tǒng)的工作臺上，設(shè)定激光參數(shù)，啟動激光加工系統(tǒng)，利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度掃射，最終在表面獲得重熔層；

(3)對加工后的金屬材料進行簡單清潔。

其中，所述的金屬材料可以為鈦合金，鑄鐵，鋼，鎳基合金；

其中，步驟(2)中設(shè)定的激光參數(shù)為：激光波長為193nm-1070nm，激光脈寬為50ns-800ns，激光功率為10W-100W，激光脈沖頻率為1kHz-1MHz；

其中，步驟(2)中利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度掃射，其速度為0.2mm/s-3m/s。

本發(fā)明公開的一種短脈沖激光金屬表面硬化方法，開辟了一種新的金屬表面激光硬化方法，相對于滲碳、氮化、硬質(zhì)陽極氧化、鍍鉻、表面淬火等傳統(tǒng)表面硬化方法及現(xiàn)有的激光金屬表面硬化方法，利用激光使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當(dāng)高的溫度而熔化，隨后借助于冷態(tài)金屬基體的吸熱和傳導(dǎo)作用，使已熔化的極薄表層金屬快速凝固，產(chǎn)生新的表面層，相比于現(xiàn)有的模板法納米孔陣列加工工藝，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)：該方法利用激光直寫系統(tǒng)，可以通過改變激光參數(shù)如頻率、掃描速度、功率對金屬表面熔凝深度、面積等進行精確控制，能得到加工精度和加工范圍遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的強化工藝。

(2)：該方法利用激光直寫系統(tǒng)，硬化基于材料熔化及凝固，不需要額外添加強化材料，綠色環(huán)保，被處理材料本身不發(fā)生化學(xué)變化，可應(yīng)用于多種金屬材料。

(3)：該方法可以實現(xiàn)加工區(qū)域的任意設(shè)定，相比于滲碳、氮化、硬質(zhì)陽極氧化、鍍鉻、表面淬火等整體加工工藝更加靈活。

(4)：該方法加工速度更快，有望在實際生產(chǎn)中提高生產(chǎn)效率。

(5)：相對于現(xiàn)有的激光金屬表面硬化方法，本發(fā)明使用較小功率的短脈沖激光，對重熔層金屬外的基體材料熱影響很小，有助于保持金屬基體性能不變。

附圖說明：

圖1所示為本發(fā)明方法流程圖。

圖2所示為激光加工系統(tǒng)示意圖。

圖3所示為激光加工后鈦合金表面縱截面。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。

如圖所示，本發(fā)明公開的一種短脈沖激光金屬表面硬化方法，如圖1所示，具體包括以下步驟：

1.對金屬材料表面依次進行化學(xué)清洗去油，砂輪打磨去氧化層，打磨后清洗；

2.將步驟1中清洗后金屬材料置于納秒激光加工系統(tǒng)的工作臺上，設(shè)定激光參數(shù)，啟動激光加工系統(tǒng)，利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度掃射，最終在表面獲得重熔層；

3.對加工后的金屬材料進行簡單清潔。

其中，所述的金屬材料可以為鈦合金，鑄鐵，鋼，鎳基合金；

其中，步驟2中設(shè)定的激光參數(shù)為：激光波長為193nm-1070nm，激光脈寬為50ns-800ns，激光功率為10W-100W，激光脈沖頻率為1kHz-1MHz；

其中，步驟2中利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度掃射，其速度為0.2mm/s-3m/s。

實施例1：

(1)：取10mm厚度的TC4鈦合金塊，置于無水酒精中清洗。

(2)：將樣品置于如圖2所示的SPI公司的納秒激光加工系統(tǒng)(使用1060nm波長的CO₂激光器)的工作臺上，設(shè)置激光功率為20W，頻率為500KHz，掃描速度為200mm/s，設(shè)置掃描區(qū)域大小為15mm×15mm，啟動激光加工系統(tǒng)開始加工。

(3)：從工作臺上取下加工后鈦合金塊，用無水酒精擦拭清理。

如圖3所示為實施例1加工后所得TC4鈦合金近表面的縱截面金相，由圖所示，經(jīng)短脈沖激光處理后金屬表面有厚度約170μm的重熔層，重熔層顯示出了于基體不同的金相形態(tài)，經(jīng)硬度測試，重熔層維氏硬度約為497HV，遠(yuǎn)高于基體硬度的286HV。

實施例2：

(1)：取10mm厚度的TC11鈦合金塊，置于無水酒精中清洗。

(2)：將樣品置于如圖2所示的SPI公司的納秒激光加工系統(tǒng)(使用1060nm波長的CO₂激光器)的工作臺上，設(shè)置激光功率為40W，頻率為500KHz，掃描速度為200mm/s，設(shè)置掃描區(qū)域大小為15mm×15mm，啟動激光加工系統(tǒng)開始加工。

(3)：從工作臺上取下加工后鈦合金塊，用無水酒精擦拭清理。

本發(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述技術(shù)手段所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。